JPS61223491A - 多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、多管式熱交換器に係り、特に高温プラントに
使用するのに好適な多管式熱交換器に関するものである
。

〔発明の背景〕

従来の多管式熱交換器は、胴内の両側部に設けた管板間
に多数の伝熱管を設け、当該胴に、胴内を流通する胴側
流体の出、入口ノズルと、伝熱管内を流通する管内側流
体の出、入口ノズルとを備えた形式のもので、胴側流体
の流入衝撃力の軽減並びに腐食防止等のために、入口ノ
ズルの直後に緩衝板を設置している。しかし、この緩衝
板の設置によりノズル後の流れは、胴外周部に向って多
く偏流し、かつ緩衝板の後方では渦流のよどみ域を形成
している。この胴側流体の偏流は、胴外周部管の腐食と
流体振動数の増加による振動破損を誘起し、また、緩衝
板後流の渦流のよどみ域では熱交換はほとんど行われな
いため、吸熱のアンバランスを生じるという問題があっ
た。

このため、これを避けるような考案がなされている。

例えば、実公昭５２−１０１２８号公報には、胴側流体
入口ノズルの下流側胴内壁面の周方向対称位置に間隔を
おいて複数個の流路制御板を胴軸に沿って取付けて流速
分布の均一化を図る考案が記載されている。

また、実公昭５２−３３９７７号公報には、胴側流体入
口ノズルの下流に有孔衝撃板を設け、その有孔衝撃板の
直後にダミーバーを配置して流速分布の均一化と流速低
減を図る考案が記載されている。

しかし、これらの考案では、局所的に伝熱管への衝撃が
大きな部分あるいは入口ノズル部付近に胴側熱伝達率の
大きな部分が残る。これは、一般の多管式熱交換器では
それほど問題とはならないが、例えば、高温ガス炉用の
蒸気発生器のように、熱負荷の高い熱交換器を製作する
際には、重量な問題となり、ＷＲ側流体入口部付近の熱
的信頼性が高温熱交換器の性能を決定することになるの
である。

〔発明の目的〕

本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するためにな
されたもので、熱交換器全体の交換熱量をほとんど変え
ずに、胴側流体入口部での熱負荷を均一に、かつ低負荷
にすることができ、伝熱管の振動防止性を向上し、熱交
換器の信頼性を著しく高めることの可能な多管式熱交換
器の提供を、その目的としている。

〔発明の概要〕

本発明に係る多管式熱交換器の構成は、胴内の両側部に
設けた管板間に多数の伝熱管を設け、当該層に、胴内を
流通する胴側流体の出、入口ノズルと、伝熱管内を流通
する管内側流体の出、入口ノズルとを備えてなる多管式
熱交換器において、胴側流体の入口ノズルの最大内径が
、胴内径に対し、０．４５〜１の寸法比となるようにし
たものである。

なお１本発明を開発した考え方と基本概念を述べると、
次のとおりである。

本発明は、基本的には、胴側流体入口ノズルの内径寸法
を、胴の内径寸法に対して、従来にくらべ相対的に大き
めにしたものである。

例えば、高温ガス炉用の蒸気発生器では、胴の胴側流体
入口部において胴側流体入口温度が約９００℃、管内側
流体温度が約２３０℃と、温度落差が著しく大きい、こ
のため、この１Ｗ（ｌＩ！！流体入口部での熱負荷が大
変大きくなっており、管内側流体のバーンアウトや伝熱
管の高温強度の面で厳しい条件となっている。

原子力機器である蒸気発生器では安全性、信頼性が特に
重要であり１Ｍ側流体入口部のバッフル１段めでは、入
口部の高い熱流束はむしろ減少させることが望ましい。

本発明では、この高熱流束を低減させるため、胴側流体
入口部付近の伝熱管の熱通過率Ｕを減少させることを考
えた。

胴側流体温度をＴｇ、管内側流体温度をＴｗとしたとき
、熱流束ｑは、 ｑ冨Ｕ　（Ｔ　ｇ　−Ｔ　ｗ　） で与えられる。

この式から、Ｔｇ＊Ｔｗが同じであっても、Ｕが下ると
ｑに減少することがわかる。ここで、熱通過率Ｕは次式
で表わされる。

ここに、ｄ、：伝熱管外径 ｄ、：伝熱管内径 り、：胴側熱伝達率 り、：管内側伝達率 ｆ　：管内側汚れ係数 λ％ｍｂ＊　：熱伝導率（伝熱管） 例えば、高温ガス炉用の蒸気発生器の場合。

ｈ、：　１０３Ｗ／ｍ”ｋ、ｈ−：　１０’Ｗ／ｍ”ｋ
、１　／　ｆ　：　１０’Ｗ／　ｍ”　ｋ、であり、Ｕ
２ｈ、と考えてよい、このため、バッフル１段めでの熱
負荷を減少させるためには、ｈｌの最大値を減少させる
ことが望ましい。

本発明は、胴側熱伝達率ｈＩＩの最大値の減少させるた
めに、入口ノズル径の寸法を大きくすることを考えたも
のである。

以下、この点について第２図を参照して説明する。

第２図は、本発明の基本概念を示す線図で、胴側流体入
口ノズル最大内径りいと、胴径り、どの比ｐｃ、１０．
を変化させた際の管束内での熱伝達率分布の不均一度Ｆ
の変化を示すものである。

ここで、不均一度Ｆは次のように定義される。

ｈ。

ｈ　＠　＠　＠　　：最大熱伝達率 り、　　：平均熱伝達率 不均一度Ｆは、Ｄｉ、／Ｄ、とともに著しく減少して行
き、管群内の熱伝達率分布は急激に均一化される。この
不均一度Ｆを減少させることは、高温熱交換器の熱的信
頼性を向上させるのに大きな効果がある。

Ｆの値が０．３　になると、高熱負荷時においても十分
な熱的信頼性が得られる。Ｆが０．３　　となるときの
り、、／Ｄ、の値は０．４５　である。

Ｄ　ｔ　−／　Ｄ−がこの値以上の範囲では、Ｄ、、／
Ｄ。

が増大しても、不均一度Ｆの値の変化は僅少である。Ｄ
、、／Ｄ、＝１で、胴側流体入口ノズル径は胴径と等し
くなる−　Ｄ　１−　／　Ｄ、はこれ以上大きくしても
意味がなく、したがってこの値が上限となるのである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の各実施例を、第１図、第３図ないし第５
図を参照して説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る多管式熱交換
器の縦断面図、第３図は、第１図の熱交換器による効果
を示す熱流束の線図である。

第１図において、１は円筒形状の胴、２は上の板、３は
下の管板で、これら管板２，３は、同板形状の管支持板
であり、胴１の両側部内周に固定されている。４は、管
板２，３間に設けられた多数の伝熱管である。５は欠円
形の邪魔板で、管板２．３の間に、切欠き部の位置が交
互になるように配置されており、前記伝熱管４は、これ
ら邪魔板を貫通している。

６は、胴１内を流通する胴側流体の入口ノズル、７は、
胴側流体の出口ノズル、８は、伝熱管４内を流通する管
内側流体の入口ノズル、９は管内側流体の出口ノズル、
１０は上部ヘッダ、１１は下部ヘッダである。

１２は、管板８の下部に設けた円形の邪魔板である。バ
ッフル１段目に係る邪魔板５−１と管板２との間に円形
邪魔板１２を設けることは、胴側流体入口部と管内側流
体出口の温度差が特に大きく、管板２における熱応力が
問題になるときに有利なものである。

第１図の実施例では、胴側流体の入口ノズル６の最大内
径Ｄ１ｍを、胴１の内径り、６、の半分にとっている。

すなわち、Ｄｔ、／Ｄ、＝０．５　　に形成したもので
ある。

このように構成された本実施例の多数式熱交換器の作用
を説明する。

低温側流体である管内側流体は、矢印に示すように管内
側流体の入口ノズル８から下部へラダ１１に流入し、並
列して多数設置された伝熱管４内を流れ、上部ヘッダ１
０に集まり管内側流体の出口ノズル９を通って流出する
。

一方、高温側流体である胴側流体は、矢印に示すように
、胴側流体の入口ノズル６から流入し。

伝熱管４の管群の間を複数の邪魔板５により流れが次々
に曲げられ、いわゆる蛇行して流れ、胴側流体の出口ノ
ズル７から流出する。

このとき、第２図から明らかなように、胴側流体の入口
ノズル６の最大内径Ｄｔ、と、胴１の内径り、との比り
、、／Ｄ、が０．５　であるから、熱伝達率の不均一度
Ｆは０．２５である。すなわち。

熱伝達率のばらつきは、平均値に対して２５％以内にな
り良好な熱伝達分布が得られる。

なお、平均の熱伝達率は、胴側流体の入口ノズル６の径
によりほとんど変化しないので、全体の交換熱量も変化
しない。

第３図は、本実施例による多管式熱交換器の熱的信頼性
の向上を示すもので、横軸に熱流束ｑ　（Ｗ／ｍ”　）
をとり、縦軸にたて方向の位置をとり、便宜上、熱交換
器の略図を併記してたて方向の該当位置を表わしている
。

従来の多管式熱交換器は、Ｄ、、／Ｄ、が０．２〜０．
３　程度に設計されていた（破線参照）が、第１図の実
施例ではり、、／Ｄ、＝０．５　　とすることにより、
第３図に実線で示すように熱流束ｑの値が良好となり、
高温熱交換器としての熱的信頼性を大巾に向上させるこ
とができる。

なお、第３図では、参考までに、核沸騰で得られる最高
熱流束に係るバーンアウト限界熱流束領域を斜線で示し
ている。

Ｄ、、／Ｄ、＝０．５　　とすると、胴側流体の入口ノ
ズル６における流速Ｕ１が減少するため、伝熱管４の流
体振動に対して有利である。

アメリカの多管式熱交換器に関する規格であるＴｌｌ！
ＨＡ規格によれば、ｐＵ、、”　が７４４ｋｇ／ｍｓ”
以下であれば、緩衝板など伝熱管の流体振動を防止させ
るための部材を必要としない。

例えば、高温ガス炉用の蒸気発生器の定格状態において
は、本実施例により前記規格の条件が満たされ、緩衝板
を設けることなしに伝熱管の流体振動を避けることがで
きる。

また、Ｄ、、／Ｄ、＝０．５　　とした場合には、胴側
流体流入部での圧力損失を、　Ｄ　ａ　−／　Ｄ、　＝
　０　、３の場合に比べて約６０％低減できる。このこ
とは、多管式熱交換器のランニングコストの点で有利で
ある。

さらに１本実施例は、構造が簡単なため、製造コストが
従来のものとほぼ同じでよく、シがも熱的信頼性が向上
するという効果がある。

次に、本発明の他の実施例を第４図を参照して説明する
。

第４図は、本発明の他の実施例に係る多管式熱交換器の
縦断面図であり、図中、第１図と同一符号のものは、第
１図の実施例と同等部分であるから、その説明を省略す
る。

第４図の実施例においては、胴側流体の入口ノズル６Ａ
の形状がディフューザ状になっている。

すなわち、胴側流体の入口ノズル６Ａは、最大内径Ｄ１
．が胴内径り、の０．５　に形成された部分の直前（上
流側）にディフューザ部を設けたものである。

そして、これによって流れが剥離しないように入口部に
多孔板１２が設けられている。多孔板は２枚以上あって
もよい、また、ディフューザ部の長さが流れの剥離を防
ぐのに十分であれば、多孔板１２を設けなくてもよい。

第４図の実施例によれば、先の第１図の実施例で説明し
たと同様の効果が期待されるほか、全体の配管系の直径
を特に大きくすることなしに、十分な熱的信頼性が得ら
れ、しがも配管系のコストが増加しないという利点があ
る。

次に、本発明のさらに他の実施例を第５図および第６図
を参照して説明する。

ここに第５図は、本発明のさらに他の実施例に係る多管
式熱交換器の胴側流体入口部を示す横断面図、第６図は
、第５図のＡ矢視断面図である。

図中、先の第１図と同一符号のものは、第１図の実施例
と同等であり、また、第５，６図に図示しない熱交換器
部は第１図と同等であるから、その説明を省略する。

第５，６図の実施例では、胴側流体の入口ノズル６Ｂの
最大内径が、胴１内に設けである邪魔板の間隔より大き
い場合を示している。すなわち。

第６図に示すように、円形の邪魔板１２と欠円形の邪魔
板５−１との間隔をｐとし、胴側流体入口ノズル６Ｂの
最大内径をＤいとして、Ｄｉ、〉ｐのときは、この胴側
流体の入口ノズル６Ｂの管軸方向の寸法は邪魔板間隔ｐ
に等しくし、管軸に直交する方向の寸法を最大内径寸法
Ｄ（１１として、断面が長円形状のノズルに形成してい
る。ここに最大内径寸法Ｄｉ、は、胴の内径り、に対し
、０．４５〜１の寸法比となっている。

第６図では１．流体入口ノズル６Ｂの断面形状は長円形
状のものを示したが、長方形状でもよいことはいうまで
もない。

本実施例によれば、先に説明した第１図または第４図の
実施例と同様の効果が期待できるほか、Ｄ、、／Ｄ、を
大きくとった際にも１円形邪魔板１２と邪魔板５−１の
間隔を大きくすることなく、伝熱管１の流体振動に対す
る問題を避けることができるという本実施例特有の効果
がある。

なお、前述の第２図、第４図の実施例では、Ｄい／Ｄ、
〜０．５　の例を説明したが、本発明はこれに限るもの
でなく、Ｄｉ、／Ｄ、〜０．４５〜１の範囲で適用でき
るものであり、Ｄｔ、／Ｉ）、の値が大きくなるにつれ
て、第５，６図の実施例や第４図で説明したディフュー
ザを利用するのが望ましい。

言うまでもないが、第２図、第４図では、伝熱管４が３
本しか書かれていないが、伝熱管は、３本に限らず、第
５図に示すように多数並列に配置されているものである
。

また、第５，６図の実施例では、円形の邪魔板１２は無
くても良い。

さらに、前述の各実施例では、もつとも一般的な直管形
の伝熱管４および欠円形の邪魔板５を設けた多管式熱交
換器の例を説明したが、本発明はこれに限るものではな
く、例えば同心円状の邪魔板やヘリカル状の邪魔板を用
いた多管式熱交換器。

あるいはヘリカル状の伝熱管を用いた熱交換器における
胴側流体の入口部にも適用することが妨げない。

〔発明の効果〕

以上述べたように２本発明によれば、熱交換器全体の交
換熱量をほとんど変えずに、胴側流体入口部での熱負荷
を均一に、かつ低負荷にすることができ、伝熱管の振動
防止性を向上し、熱交換器の信頼性を著しく高めること
の可能な多管式熱交換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例に係る多管式熱交換器の縦
断面図、第２図は、本発明の基本概念を説明する、熱伝
達率分布の不均一度の変化を示す線図、第３図は、第１
図の熱交換器による効果を示す熱流束の線図、第４図は
１本発明の他の実施例に係る多管式熱交換器の縦断面図
、第５図は、本発明のさらに他の実施例に係る多管式熱
交換器の胴側流体入口部を示す横断面図、第６図は、第
５ｖ！ＩのＡ矢視断面図である。 １・・・胴、２，３・・・管板、４・・・伝熱管、５．
５−１・・・邪魔板、６，６Ａ、６Ｂ・・・胴側流体の
入口ノズル、７・・・胴側流体の出口ノズル、８・・・
管内側流体の入口ノズル、９・・・管内側流体の出口ノ
ズル、￥Ｊ　　１　　図 ↑ 冨　Ｚ　　図 ｕｒｎ／ＤＢ 菖　４　図 ↑ ￥：Ｊ　５　図 冨　ｔ　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、胴内の両側部に設けた管板間に多数の伝熱管を設け
   、当該胴に、胴内を流通する胴側流体の出、入口ノズル
   と、伝熱管内を流通する管内側流体の出、入口ノズルと
   を備えてなる多管式熱交換器において、胴側流体の入口
   ノズルの最大内径が、胴内径に対し、０．４５〜１の寸
   法比となるように構成したことを特徴とする多管式熱交
   換器。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、胴側流
   体の入口ノズルは、最大内径部の上流にディフューザ部
   を設けたものである多管式熱交換器。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載のもののい
   ずれかにおいて、胴側流体の入口ノズルの最大内径が、
   胴内に設けた邪魔板の間隔より大きいものについて、前
   記胴側流体の入口ノズルを、管軸方向の寸法が邪魔板間
   隔に等しくし、管軸に直交する方向の寸法は最大内径寸
   法として、断面が長円形あるいは長方形状に形成したも
   のである多管式熱交換器。